JP4218521B2 - サーボ信号書き込み装置およびサーボ信号書き込み方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハードディスクドライブなどのディスク記録再生装置にサーボ信号を書き込むサーボ信号書き込み装置およびサーボ信号書き込み方法に関する。

近年、ディスク記録再生装置の高容量化が進み、磁気ディスクのトラック幅が狭くなってきている。そのため、磁気ディスクに対してさらに高密度にサーボ信号を記録することができるサーボ信号書き込み装置が求められている。

ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）は、記録データをディスク上の決められた場所に正確に記録再生する機能を実現するためにサンプルサーボ方式が広く使われている。

サンプルサーボ方式とは、トラック一周を数１０〜数１００に均等に分割した位置決め専用のバースト信号領域（サーボセクター）を設け、その場所に位置検出情報としてプリアンブル、サーボインデックス、アドレス（トラックアドレス&セクターアドレス）、サーボバースト等の情報が書き込まれている。磁気ヘッドは、サーボセクターを通過するごとに位置情報をサンプル（検出）して正規のトラック位置からの誤差を検出し、ボイスコイルモータ（以下「ＶＣＭ」と呼ぶ。）に位置修正信号を送り修正する。これをサンプルサーボ方式を使った再生トラッキング制御という。

このサーボセクターパターンの磁気記録を行うためには、ＶＣＭでディスク半径方向に駆動される記録再生ヘッドの半径方向位置（＝トラック位置）と、ディスクの回転位置という二つの位置情報をできるだけ精度良く検出・制御しながらサーボセクターを書き込む必要がある。(以下このサーボ信号書き込み装置のことをSTW(Servo Track Writer)と呼ぶ。)

サーボセクターの磁気記録信号品質はこの二つの位置情報の正確さに依存する。したがって、ハードディスクの容量を上げるためにトラック密度を高めていくためには、ヘッド・ディスク媒体の改良と同時にサーボセクター情報の書き込み精度を高めていく技術が不可欠であり、これまでもさまざまなＳＴＷ方式が提案されている。

プッシュピン方式は、ヘッド支持部にピンをあてるとともに、ピンの反対側にポジショナと呼ばれる駆動機構を設け、これによってピンの位置を制御する方式である。この方式では、ピンとヘッド支持部とはバイアス力をかけることにより一体で移動するので、ポジショナによってヘッドをディスクの半径方向に少しずつ移動させ、位置信号を書き込む。一方、周方向にはクロック信号を書き込むクロックヘッドが用意され、一定のパルス列を書きそれを読むことによって周方向に同期した位置信号を書き込むことができる。

このプッシュピン方式は、現在主流の３．５インチや２．５インチＨＤＤで主に使われているが、トラック密度の向上とともに、ポジショナのセンサであるエンコーダの分解能やピンの剛性が課題になっている。この方式は、ポジショナ、プッシュピン、クロックヘッドなどが必要で構造的に複雑であり高価になることと、サーボトラックライト（以下「ＳＴＷ」と呼ぶ）時にはＨＤＤのカバーを外したり、クロックヘッドを入れるための穴をベースにあける必要がなど、剛性上望ましくないこと、加えて機械的な構造にともなう振動の影響で、サーボ帯域が狭いことが問題として挙げられる。特に１．８インチ以下のディスクを一枚しか使わない５ｍｍ厚以下の小型で薄型のＨＤＤに適用しようとすると、プッシュピンスペースやクロックヘッドを入れる機械的スペースを確保することがきわめて困難であり事実上適用することは不可能である。

この機械的な構造にともなう振動の影響でサーボ帯域が狭くなる欠点を補う目的で、ヘッドアームにレーザスケールを貼り付け、光学ヘッドで非接触に位置信号を検出する方式が提案されている（たとえば特許文献１、特許文献２を参照。）。
特開平５−２３２３０７号公報 特開平１１−３５３８３２号公報

しかし、かかる方式は、時間軸に対しては従来のクロックヘッドを用いているため、１．８インチ以下の媒体を一枚しか使わない５ｍｍ厚以下の小型で薄型のＨＤＤに適用することが困難である。

そこで、このような機械的空間利用の制限がないセルフＳＴＷ方式の適用が考えられる（たとえば特許文献３参照。）。
米国特許ＵＳ５５７０２４７

セルフＳＴＷ方式は、機構的には製品の状態でサーボライトを行う方式である。エンコーダやクロックヘッドなど外部の測定系を用いずに、自分のヘッドだけでタイミングをとり位置決めを行い位置信号を書く方式である。このため、機械的空間利用の制限がないという点で利点がある。しかし、この方式では、ＨＤＤのスピンドルモータ（以下「ＳＰＭ」と呼ぶ。）ドライバ回路である所謂コンボドライバＩＣが、ＳＰＭのコギングジッターを完全には除去できず、時間分解能の精度が低いという理由から、ＳＰＭを高精度に回転させる専用のＳＰＭ駆動回路と、高精度にボイスコイルモータ（以下「ＶＣＭ」と呼ぶ）を制御するとともに所望のサーボ信号パタンを発生させる回路が別途必要である。特に、外部に基準信号源を持たないためＳＰＭ駆動回路は、ＳＰＭのコギングジッターを極限まで下げ、実時間軸精度を維持する必要性があるため、ＨＤＤが代わる度に再度調整が必要となる。このため生産性が低いという欠点もある。この結果、セルフＳＴＷ方式は、設備投資としては最も安いがＳＴＷの条件設定に時間がかかるため生産性が低い。

サーボ信号の時間軸（クロック）精度の改善が必要とされる理由は、サーボ位置情報は所望のトラックピッチの１／２ないし１／３の間隔でヘッドをステップ状に動かして重ね書かれるため、各信号間の時間軸位相が合っていないと、サーボ位置情報の振幅、ＳＮＲ（信号-雑音比）、空間分解の低下を招くためであり、高面記録密度化によってサーボ信号波長が短くなっていく場合、それに応じた時間軸精度の改良が不可欠だからである。

また、それ以上にこのセルフＳＴＷ方式では、位置情報の絶対基準が存在しないことに起因する精度上の難があることを鑑み、近年あらかじめ専用のＳＴＷ装置等を使って位置信号をメディアＳＴＷなどで少量書き込んでおき、それを種としてセルフＳＴＷ方式で書く方式が提案されている（非特許文献１を参照。）。
"A Self-Servowrite Clocking Process",IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.37,NO.4, JULY 2001

しかしこの方式においては、ＨＤＤとは別の専用のＳＴＷ装置を使って基準位置信号が書かれた信号に偏芯Repeatable Run Out（以下ＲＲＯと呼ぶ）成分があり、それを計測して補正する機能が別途必要となるものの、狭いトラック幅の磁気ヘッドが検出する制限された磁気記録信号ＳＮＲの限界以上には精度を高めることができない。特に近年、データ検出用信号処理方式の進展に伴い、磁気記録信号の生の信号Signal-to-Noise Ratio(以下ＳＮＲと呼ぶ)が低くてもエラーレートを確保することができるようになってきたため、回転基準信号のＳＮＲは低下する傾向が今後ますます加速され、検出精度は低下して行く。

別の欠点として、同方式では、そのＳＮＲが制限された基準信号を使って順次サーボ信号を書き込み、その書かれた信号をあらたな基準信号として用いていくことを繰り返して、通常内周から外周に渡ってサーボ信号を書く。この際、トラック幅とクロックタイミング時間計測品質は磁気記録ヘッド媒体のＳＮＲで制限された無相関なノイズの影響、専用スピンドル基板を使っても取りきれないＳＰＭの残留非周期性ジッター、空気流の乱れによるヘッドサスペンションメカニズムの振動によるオフトラックや時間軸ジッターなどの影響により誤差が書き込み毎に無視できないため、この結果、トラックが増えるにしたがって基準信号の誤差が堆積し伝播していくError propagation 現象が存在する（非特許文献２を参照。）。
"A study of radial error propagation and self-servo writing in disk drives" Proceedings of the American Control Conference, Anchorage, AK May 8-10,2002

そこで、さらにError propagation を抑える工夫が同非特許文献２において種々提案されている。

しかし、いずれも計測信号をソフトウェアで統計処理して次の書き込み位置とタイミングを決定するために、サーボ情報を書くのに多大な時間がかかるという大きな別の欠点を有する。

また、別の方式として、メディアＳＴＷ方式や磁気転写方式がある。
"Hard Disk Drive Servo Technology for Media-Level Servo Track Writing," IEEE Tans. on Magn., Vol. 39, No. 2,March 2003.メディアＳＴＷ方式は、ディスク単体状態で位置信号を書き、そのあと装置に組み込む方式で、非常に高精度な静圧軸受スピンドル上に多くのディスクを積層し、専用のヘッドでサーボライトする方式である。磁気転写方式は，ＣＤやＤＶＤのようにマスタディスクを半導体のプロセス技術を適用して作成し、このマスタディスクとディスクとを接触または非接触状態にさせて、マスタディスクのパターンをディスクに転写させる方式である。 特開平１０―４０５４４号公報

しかし、これらは機械的スペースの問題は解決できるが、共通の問題として、サーボライト後にディスクをＨＤＤ装置に組み込むことになるので、位置信号のトラックに偏心ＲＲＯ成分が生じる。さらに、ディスクのクランプの方法によっては、ディスクの変形によるトラックの高次の変形が生じ、これが高次の回転同期振動モードになる。このため、ＨＤＤでのヘッド位置決め時には１次から数次までの回転に同期した振動成分に追従しなくてはならない。また、偏心が大きい場合には、その影響は半径方向のみならず回転方向におよぶため、回転ジッターが増大する。したがって、高密度化に限界がある。さらに、これらの欠点を再生トラッキングサーボソフトウェアで改善しようとすると、ソフトウェアの規模が大きくなり、小型のＨＤＤ内の制限されたメモリー内に書き込みきれなくなる。

本発明は、このような、プッシュピン式、Singleレーザスケール式、セルフＳＴＷ方式、メディアＳＴＷ方式、磁気転写方式に原理的に内在するすべての課題を解決するためのものである。

すなわち、本発明は、ＳＰＭ駆動回路の精度に依存することなく高精度な基準クロック信号が得られ、精度良く高速にサーボ信号を書き込むことのできるサーボ信号書き込み装置およびディスク記録再生装置のサーボ信号書き込み方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のサーボ信号書き込み装置は、ディスク記録再生装置の、ディスクを駆動するスピンドルモータの回転軸の回転中心に対して同軸にかつ前記回転軸と一体に回転するように配置され、前記ディスクの回転方向における位置を示す複数の回折格子を有するリング型かつ反射型の第一の回折格子部材に、レーザ光を照射する第一の光学系と、前記第一の回折格子部材に対して前記第一の光学系と同じ側に配置され、前記第一の回折格子部材からの反射レーザ光を２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における位置基準信号を得る第一の位置基準信号生成手段と、前記位置基準信号に基づいて、サーボ信号の書き込みタイミングを制御する第一の制御部とを具備するものである。

この発明により、ＳＰＭ駆動回路の精度に依存することなく、高精度な基準クロック信号を得ることができる。また常に同じ基準信号を用いてサーボ信号の書き込みが行われることで、Error propagation 現象が原理的に発生せず、その対策のためのソフトウェアによる計測統計処理が不要になり、高速にサーボ信号を書き込むことが可能となる。

また、本発明のサーボ信号書き込み装置は、前記ディスク記録再生装置の、前記磁気ヘッドを支持しかつ回転軸を中心に前記ディスクの信号記録面に沿って半径方向に移動させるヘッド支持駆動機構に配置され、前記磁気ヘッドの移動位置を示す複数の回折格子を有する反射型の第二の回折格子部材に、レーザ光を照射する第二の光学系と、前記第二の回折格子部材からの反射レーザ光を２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における位置基準信号を得る第二の位置基準信号生成手段と、前記第二の位置基準信号に基づいて、前記ヘッド支持駆動機構を制御する第二の制御部とをさらに具備するものであってよい。

この発明により、高精度な基準クロック信号が得られることに加えて、トラック送り精度も確保される。

本発明のサーボ信号書き込み装置において、前記第一の光学系が、基板を共用して半導体プロセスにて作製された半導体レーザおよび複数のフォトディテクタで構成された集積光学デバイスとを含むものとしてもよい。また、前記第二の光学系が、基板を共用して半導体プロセスにて作製された半導体レーザおよび複数のフォトディテクタで構成された集積光学デバイスとを含むであってよい。

これにより、ディスクリート部品で構成された光学系に比べて、大幅な光学ヘッドの小型化によるスペースの低減とコスト低減を図ることができる。

また、本発明のサーボ信号書き込み装置において、前記第一の制御部は、前記第一の位置信号生成部により生成された位置信号の、前記スピンドルモータの回転周期に同期した時間軸変動を検出する第一のＰＬＬ回路を有し、この第一のＰＬＬ回路による検出結果に基づき、サーボ信号の書き込みタイミングを補正するものであってよい。

これにより、回転周期に同期した周期的なジッターによる時間軸変動を検出して、書き込みタイミングを高い分解能で補正することが可能となる。

本発明の別の観点に基づくディスク記録再生装置のサーボ信号書き込み方法は、ディスクを駆動する、回転軸を有するスピンドルモータと、前記スピンドルモータの回転軸の回転中心に対して同軸にかつ前記回転軸と一体に回転するように配置され、前記ディスクの回転方向における位置を示す複数の回折格子を有するリング型かつ反射型の第一の回折格子部材とを具備するディスク記録再生装置にサーボ信号を書き込む方法であって、前記第一の回折格子部材に、前記第一の回折格子部材に対して一方の側からレーザ光を照射して、前記第一の回折格子部材からの反射レーザ光を前記一方の側で２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における位置基準信号を得て、この位置基準信号に基づいて、サーボ信号の書き込みタイミングを制御するというものである。

また、本発明の別の観点に基づくディスク記録再生装置のサーボ信号書き込み方法は、ディスクを駆動する、モータ回転軸を有するスピンドルモータと、前記スピンドルモータの回転軸の回転中心に対して同軸にかつ前記回転軸と一体に回転するように配置され、前記ディスクの回転方向における位置を示す複数の回折格子を有するリング型かつ反射型の第一の回折格子部材と、磁気ヘッドを支持し、かつ回転軸を中心に、前記ディスクの信号記録面に沿って半径方向に移動させるヘッド支持駆動機構と、前記磁気ヘッドと一体に移動するように前記ヘッド支持駆動機構に配置され、前記磁気ヘッドの移動位置を示す複数の回折格子を有する反射型の第二の回折格子部材とを具備するディスク記録再生装置にサーボ信号を書き込む方法であって、前記第一の回折格子部材に一方の側からレーザ光を照射して、前記第一の回折格子部材からの反射レーザ光を前記一方の側で２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における第一の位置基準信号を得て、この第一の位置基準信号に基づいて、サーボ信号の書き込みタイミングを制御するとともに、前記第二の回折格子部材に前記一方の側からレーザ光を照射して、前記第二の回折格子部材からの反射レーザ光を前記一方の側で２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における第二の位置基準信号を得て、この第二の位置基準信号に基づいて、前記ヘッド支持駆動機構を制御するというものである。

本発明によれば、ＳＰＭ駆動回路の精度に依存することなく、高精度な基準クロック信号が得られ、精度良く高速にサーボ信号を書き込むことができる、という効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態にかかるディスク記録再生装置およびサーボ信号書き込み装置の外観図、図２は図１のディスク記録再生装置の構成を示す平面図、図３は図２のディスク記録再生装置のａ断面図、図４は図１のディスク記録再生装置およびサーボ信号書き込み装置の断面図である。

これらの図に示すように、ディスク記録再生装置１００は、円盤状の記録媒体である磁気ディスク３と、磁気ディスク３を回転駆動するＳＰＭ３０と、磁気ヘッド４を搭載したアーム７ｂと、このアーム７ｂを回転軸（ピボットベアリング）８を中心に旋回駆動自在に支持するアーム支持部７ａとを備えている。アーム支持部７ａには、内部に例えばボイスコイルモータ（以下「ＶＣＭ」と呼ぶ。）６を有しており、このＶＣＭ６に駆動電流が流されることにより、アーム７ｂは回転軸８を中心として、磁気ディスク３の信号記録面と平行に回転移動し、先端部分に取り付けられた磁気ヘッド４を磁気ディスク３の信号記録面上を平行移動させる。磁気ヘッド４は、この移動にともない磁気ディスク３の内周側から外周側或いは外周側から内周側へ移動する。したがって、磁気ヘッド４は、磁気ディスク３に対して半径方向に移動可能となり、この磁気ディスク３の記録可能領域全面にデータの記録再生をすることができる。

なお、アーム７ｂの可動範囲は、磁気ディスク３の信号記録面の最内周から最外周まで磁気ヘッド４を平行移動させることが可能な範囲となっている。アーム７ｂの可動角度は、アーム７ｂの長さや磁気ディスク３の大きさによって異なるが、例えば、３０度程度である。

ＳＰＭ３０の回転軸３１の端面には、このモータ回転軸３１の回転中心に対して同軸にリング型回折格子２が配置されている。このリング型回折格子２には、磁気ディスク３の回転方向における位置を示す多数の回折格子が形成されている。たとえば、リング型回折格子２の格子数は59600、検出基準半径は９．４６ｍｍ、格子ピッチは1.0ｕｍである。ディスク記録再生装置１００の筐体１には、アクリルやガラス等の透明部材からなる透明窓９が設けられており、この透明窓９を通して、後述する外部のサーボ信号書き込み装置のクロック用センサー１６Ａからリング型回折格子２へレーザ光を照射することで、リング型回折格子２の回折格子の情報を検出できるようになっている。

ＳＰＭ３０が回転するとリング型回折格子２も一体に回転するので、リング型回折格子２の回折格子から得られる反射レーザ光の振幅位相信号は、リング型回折格子２の回転とともに変化する。光学系に設置された二つの1/4λ板および反射ミラー13Ａ，１３Ｂによる2重干渉の結果、実際の格子数の4倍の数である237600の正弦波上の電気信号が得られ、この反射レーザ光から得られる電気信号はディスク３の回転方向における位置を示す信号として、後述するサーボ信号書き込み装置の制御回路に供給される。制御回路は、この信号に基づき、ＳＰＭ３０の回転に追従したタイミングリカバリー信号を生成し、このタイミングリカバリー信号に基づき、サーボ信号の書き込みタイミングの制御を行う。

また、アーム７ｂには扇型回折格子５が設けられている。この扇型回折格子５は、磁気ディスク３の半径方向における磁気ヘッド４の移動位置を示すものである。ディスク記録再生装置１００の筐体１には、アクリルやガラス等の透明部材からなる透明窓１０が設けられており、この透明窓１０を通して、後述する外部のサーボ信号書き込み装置のアーム用センサー１６Ｂから扇型回折格子５へレーザ光を照射することで、扇型回折格子５の回折格子の情報を検出できるようになっている。

アーム７ｂが移動すると扇型回折格子５も一体に移動するので、扇型回折格子５の回折格子から得られる反射レーザ光の振幅位相は、ディスク半径方向における磁気ヘッド４の位置に応じて変化する。この反射レーザ光の位相は磁気ヘッド４の移動位置を示す信号として、後述するサーボ信号書き込み装置の制御回路に供給される。制御回路は、この磁気ヘッド４の位置信号に基づいてＶＣＭドライバに駆動信号を供給する。ＶＣＭドライバは、この駆動信号に基づき、アーム支持部７ａ内のＶＣＭ６に駆動電流を供給してアーム７ｂを駆動し、磁気ヘッド４をディスク半径方向の所定の位置に移動させる。

サーボ信号書き込み装置のクロック用センサー１６Ａは、レーザ光（入射レーザ光）を出射する半導体レーザ１１と、反射レーザ光を検出して電気信号に変換する光ディテクタ１２と、反射ミラー１５と、反射ミラー１５を反射した半導体レーザ１１の入射レーザ光を透過してリング型回折格子２に照射し、このリング型回折格子２からの反射レーザ光を反射して光ディテクタ１２に照射するビームスプリッタ１４と、反射レーザ光を２度回折させ半導体レーザの1/4の波長の信号を得るための２つの1/4λ板（図示せず）および反射ミラー１３Ａ、１３Ｂとを備えている。

同じくサーボ信号書き込み装置のアーム用センサー１６Ｂは、レーザ光（入射レーザ光）を出射する半導体レーザ１１と、反射レーザ光を検出して電気信号に変換する光ディテクタ１２と、反射ミラー１５と、反射ミラー１５を反射した半導体レーザ１１の入射レーザ光を透過して扇型回折格子５に照射し、この扇型回折格子５からの反射レーザ光を反射して光ディテクタ１２に照射するビームスプリッタ１４と、反射レーザ光を２度回折させ半導体レーザ光の1/4の波長の信号を得るための２つのミラー１３Ａ、１３Ｂとを備えている。

図５は、サーボ信号書き込み装置の全体的な構成例を示すブロック図である。

同図に示すように、このサーボ信号書き込み装置２００は、上記のクロック用センサー１６Ａ、上記のアーム用センサー１６Ｂ、ディテクタユニット７１、メインボード７２、メインコントローラ７３で構成されている。

クロック用センサー１６Ａによってリング型回折格子２に照射されたレーザ光は、リング型回折格子２の回折格子により回折される。光ディテクタ１２は、リング型回折格子２の回折格子により回折された反射レーザ光を受けて電気信号に変換し、クロック信号としてディテクタユニット７１に送出する。ディテクタユニット７１は、各種要因による時間軸変動を有する生のクロック信号からクロックパルスを生成してメインボード７２に出力する。

メインボード７２には、前段ＰＬＬ&タイミング発生回路７４、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）７５、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）７６、ＶＣＭドライバ７７、ＰＥＣＬ（Positive Emitter Coupled Logic）ドライバ７８などが実装されており、上記ＰＬＤ７５は、後段ＰＬＬ（Phase Locked Loop ）回路７９、ＲＡＭ８０、高速シリアルーパラレル変換回路８１などで構成されている。

ディテクタユニット７１で生成されたクロックパルスは前段ＰＬＬ&タイミング発生回路７４に入力され、ここでクロックパルスに含まれている偏芯ＲＲＯジッターなどの低周期な時間軸変動の検出が行われる。さらにＰＬＤ７５内の後段ＰＬＬ回路７９では、クロックパルスに含まれている時間軸変動の高精度な検出が行われる。これらクロックパルスに含まれている時間軸変動の検出結果に基づき、高い分解能で補正が施された書き込みタイミングを生成することが可能となる。本例では、一回転あたり２３７，６００パルスのリング型回折格子２を用い、それを５０倍することで、最小時間分解能８００ピコ秒を実現している。また、このような２段ＰＬＬ構成によってロックレンジの広いＰＬＬが実現されるという利点がある。

一方、アーム用センサー１６Ｂによって扇型回折格子５に照射されたレーザ光は、扇型回折格子５の回折格子により回折される。光ディテクタ１２は、扇型回折格子５の回折格子により回折された反射レーザ光を受けて電気信号に変換し、ディテクタユニット７１に送出する。ディテクタユニット７１では、反射レーザ光の位相が磁気ヘッド４の移動位置を示す信号として検出され、ＰＬＤ７５を通してＤＳＰ７６に送られる。ＤＳＰ７６は、この磁気ヘッド４の位置信号に基づいてＶＣＭドライバ７７に磁気ヘッド駆動信号を供給する。ＶＣＭドライバ７７は、この磁気ヘッド駆動信号に基づき、アーム支持部７ａ内のＶＣＭ６に駆動電流を供給してアーム７ｂを駆動し、磁気ヘッド４をディスク半径方向の所定の位置に移動させる。

ＤＳＰ７６は、その他、サーボパタンのリアルタイム生成、ディテクタユニット７１との通信、メインコントローラとの通信、サーボ書き込み信号のＲＡＭ８０への移送、信号書き込みタイミングの決定など、サーボトラックライタに必要なすべての操作を行う。

なお、ＳＰＭコントローラ３３は、サーボ信号書き込み装置２００との別に制御されるがメインボード７２・メインコントローラー７３に一体で形成されていてもよい。

図６は、クロック用センサー１６Ａおよびアーム用センサー１６Ｂのディスクリート光学系の詳細で具体的な構成を示す図である。

リング型回折格子２および扇型回折格子５に用いられている反射型回折格子は機械的な凹凸が１ｕｍピッチで形成されたきわめてシンプルなスケールである。ここに上記光学系により半導体レーザ４１からの単一波長の信号を当てると、λ／４板４２Ａ，４２Ｂにより２回回折された４種類の1／４波長信号Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄが発生する。

Ｉａ＝Ｄ＋Ｍ・ｃｏｓ（４Ｋｘ＋φ）

Ｉｂ＝Ｄ−Ｍ・ｃｏｓ（４Ｋｘ＋φ）

Ｉｃ＝Ｄ＋Ｍ・ｓｉｎ（４Ｋｘ＋φ）

Ｉｄ＝Ｄ−Ｍ・ｓｉｎ（４Ｋｘ＋φ）
ここで、Ｄ：オフセット信号強度、Ｍ：信号振幅、Ｋ：回折格子波長,ｘ：位置変数、Φ：オフセット信号位相。

これらの1／４波長信号Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄはそれぞれ、４つのフォトディテクタ４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄで別々に検出され、以下の計算式によりＳ１信号、Ｓ２信号が求められる。

Ｓ１＝Ｉａ−Ｉｂ＝２Ｍ・ｃｏｓ（４Ｋｘ＋φ）

Ｓ２＝Ｉｃ−Ｉｄ＝２Ｍ・ｓｉｎ（４Ｋｘ＋φ）

すなわち、Ｓ１信号、Ｓ２信号は、元の回折格子の1／４波長、２５０ｎｍの信号である。

このＳ１，Ｓ２信号品質（ＳＮＲ）はきわめて高い。その理由は、レーザスポット径が数１００ｕｍと大きく干渉してフォトディテクタ４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄに入る信号は広範囲な回折格子の平均干渉信号が使えるからである。もともと回折格子は光ディスクのマスターディスクで用いられる高精度なマスターから製作されるため干渉信号品質は安定しているが、ここではさらに平均化された回折信号を使えるという利点がある。また本発明の光学系の特徴として2回回折による高分解能特性以外に、光路長差補償機構、ＤＣオフセットキャンセル機構、角度変動許容機構、測定方向以外の動きに対する低感度機構が設けられており、各種寸法誤算に対して十分現実的な範囲を扱うことができる。

その結果、２５０ｎｍのＳ１、Ｓ２信号を５００分割して最終的に０．５ｎｍの最小分解能を有する位置基準信号を生成できる。

従来のクロックヘッドやサーボトラックライタで用いられる位置基準信号はすべて磁気記録信号を使用しているが、近年高密度化に従って生の磁気記録信号ＳＮＲは低下する傾向があるため位置基準信号は低下している現状がある。したがって本発明は特に80kTPI以上の高トラック密度記録を行う際に特に有効である。

また、上記の光学系は、その一部を集積光学デバイスとして構成することにより、小型化、低価格化を実現することが可能である。

図７は、集積光学デバイスを用いて構成された光学系の具体例を示している。この例では、図６のディスクリート光学系のうち、ハーフミラー４５、λ／４板４２Ｃ、レンズ４６、偏光ビームスプリッタ４７といったレンズミラーの光学系をＰＢＳ５０で一度に作製し、また、半導体レーザ４１とフォトディテクタ４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３ＤをＳｉ基板４４上に半導体プロセスによって同時に作製したものを採用している。ＰＢＳ５０は、偏光板５１、レンズ５２、λ／４板５３、ミラー５４、ハーフミラー５５，５６，５７等で構成されている。なお、図６および図７において４８Ａ，４８Ｂ，４９Ａ，４９Ｂはミラーである。

この集積光学デバイスの機能・性能はディスクリート光学系と同じであるものの、半導体プロセスで一度に半導体レーザ４１とフォトディテクタ４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄを多数製作できるため大幅にコストを低減できる。また光学系もＰＢＳ５０でレンズミラーの光学系を一度に製作できるため安価となる。光学系の位置決めもＰＢＳ５０内で完結しているため半導体レーザ４１およびフォトディテクタ４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄと光学系との位置調整が一度で済むので、生産性も高められることからもコストダウンにつながる。図８は、クロック用センサー１６Ａおよびアーム用センサー１６Ｂにそれぞれ集積光学デバイス６１Ａ，６１Ｂを搭載した形態を示している。

次に、磁気ディスク（ハードディスク）上のサーボ信号とトラッキング制御について説明する。

図９に示すように、ハードディスク３には、回転方向に均等な間隔でサーボセクター２１が設けられている。サーボセクター２１の後にはデータセクター２２がある。ハードディスク３の回転周期において、システムは、サーボセクター２１が到来する度にトラッキング制御にかかわる作業に専念し、サーボセクター２１間のデータセクター２２において信号の記録再生を行う。

サーボセクター２１は、プリアンブル２３、ＳＩＭ／ＳＡＭ２４、グレーコード２５、サーボバースト２６で構成される。

プリアンブル２３は、サーボ情報の読み出しに使う検出クロックを生成するための情報である。ＳＩＭ／ＳＡＭ２４において、ＳＩＭ（Servo Index Mark）は、１回転に１回現れる数ビットの特定の固定パターン、ＳＡＭ(Servo Address Mark)は、ＳＩＭ以外のサーボセクター２１の存在を示す特定の数ビットの固定パターンである。プリアンブル２３でＰＬＬがロックし、ＳＩＭ／ＳＡＭ２４が検出されることが最も基本的に重要であるので、ＳＩＭ、ＳＡＭの固定パターンは検出確度が高いものが選ばれる。

グレーコード２５は、トラックナンバーとＳＩＭから数えて何番目のセクターかを表すセクターナンバーのふたつが連結構成された数ビット〜数１０ビットのパターンである。サーボバースト２６は、ヘッドがトラックセンターからどのくらいずれているかを示す位置情報であり、これを使ってＶＣＭのトラッキング制御が行われる。

図１０は、サーボバースト２６の構成を示す図である。このサーボバースト２６は、６相（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ）のバースト信号からなり、それぞれのバースト信号はトラックセンターに対して１／２あるいは１／３トラックピンチのズレをもって周期的に配列されている。これらのバースト信号間の振幅強度変化や位相情報を基にヘッド位置が決定され、この決定された位置情報に基づき、ＶＣＭに位置誤差信号を供給してトラック位置をセクターごとに修正する。尚バースト相は、また必ずしも6相である必要や、トラックピッチに対して1/2や1/3である必要はない。

図１１は、本実施形態に用いたサーボバーストの時間の配分を示している。

ここで、カッコ内の各数字は、ビット数あるいは時間（Ｔ）あるいは周波数（１／Ｔ）を示している。ＨＤＤシステムでは、サーボ基準信号であるServo TGB（Time Base Generator））の周波数が決まっており、このServo TGB周波数の１／４の周波数をサーボバースト周波数（Ｆsevo）とすると、

１／Ｔ= Ｆservo = Servo TGB／４
という関係がある。

次に、本実施形態の変形例を説明する。

図１２は、半円弧型回折格子５ｂを回転軸８上に支持基板５ｄを介して設置したものである。アーム７ｂは通常、弾性を有する薄板で作製されているため、外部からの衝撃等により振動しやすい。これに対して回転軸８は構造的に強固であり、衝撃等による影響が少なくて済む。また、サーボ信号の書き込み後に回折格子を取り外す場合、アーム７ｂから取り外すよりも簡単に取り外すことができ、回折格子の再利用性が向上する。ただし、磁気ヘッド４と回折格子との距離と位置分解能とは比例関係にあるので、アーム７ｂに回折格子を取り付けた方が高い位置分解能が得られる。

図１３は、ＳＰＭ３０の回転軸３１の端面上に固定した支持基板１７の上にリング型回折格子２を配置したものである。この例によれば、リング型回折格子２のサイズ（半径）を回転軸３１の端面サイズに制限されることなく選定できる。これにより、リング型回折格子２の格子ピッチを変更することなく１周分のクロックパルス数を増やす（時間分解能を高くする）ことができる。ただし、ＳＰＭ３０の負荷が大きくなるので、それだけ回転制御が難しくなる。また、基板半径が大きくなる分アキシャル方向（断面図に対して上下動）の機械的ＲＲＯ(Repetable Run Out)が大きくなり、時間基準信号にＲＲＯジッターが混入する割合が多くなる。この構成ではサーボ信号の書き込み後に回折格子を取り外す場合、ＳＰＭ30から取り外すよりも簡単に取り外すことができ、回折格子の再利用性が向上する。

図１４は、ＶＣＭ８の側面に扇型回折格子５を配置した例である。この構造によれば、クロック用センサー１６Ａとアーム用センサー１６Ｂとの機械的干渉を避けることが容易になる。特に、サイズの小さなＨＤＤに対して有効である。

また、磁気ディスク３の回転位置を示す回折格子と磁気ヘッド４の移動位置を示す回折格子をＨＤＤの上下各面に別々に設置し、クロック用センサー１６Ａとアーム用センサー１６ＢをＨＤＤの上下に配置するようにしてもよい。

次に、本発明の妥当性について説明する。
図１５は、本回路構成により発生したPre-ampへ送られる直前の場所でディジタルオシロスコープにより観察した0001ｈ〜0005ｈの信号を1ビットずつ順にインクリメントさした場合のクロック信号である。同図より、実際に1nsecのクロック時間軸分解能が実現されていることがわかる。
図１６は、本サーボライト装置のオープンループ特性である。測定にはレーザードップラー装置(Plolytec社: OFV3001 and OFV512)とＦＦＴアナライザー(NF electronics instruments社: FRA5095).を用いた。同図より、従来の方式の3倍以上、2 kHzのサーボ帯域が実現されていることがわかる。（従来のプッシュピン式では3.5インチで600Hz程度が限界）

図１７は、ヘッドアームを5nmの分解能でステップ送りしたときのヘッド位置制御特性を表す。
同図より、安定した5nmのＶＣＭ制御が実現していることが分かる。これをトラック密度に換算すると、アーム上の回折格子と先端の磁気ヘッドには回転中心に対して2.5倍の差があることを考慮すると
5 ｘ 2.5 ｘ 2＝25 nm、即ち1/2トラックピッチ送りのサーボフォーマットを適用した場合、25nmピッチ（＝100万ＴＰＩ）という従来の10倍以上の高密度サーボトラックパターンが書き込める高精度制御ができることを示している。図１８は本発明の最終的な性能の妥当性を示す結果であり、ドライブ筐体厚さ5ｍｍの１インチのＨＤＤに９１．３ｋＴＰＩで半径位置９．０ｍｍ（トラックナンバー"００００"から１１．７ｍｍ(トラックナンバー"９２５０")まで記録したサーボトラック信号を４箇所のトラック位置からディジタルオシロスコープで抜き出して、それぞれの位置にけるＰＥＳ(Position Error Signal)を１周分取り出してその標準偏差を求めた結果を示している。

サーボトラックライタ書き込み時間は、ＳＰＭの回転数５４００ｒｐｍのもとで１／３パターンが２回転周期でディスク両面を同時に描けるので、１／９０ｘ２ｘ９２５０ｘ３＝６１７秒と従来のセルフサーボライト方式での数千秒の時間に対してきわめて高速である。

トラックピッチは２７８ｎｍであり、ＰＥＳのｚｅｒｏ−ｔｏ−ｐｅａｋはσの３−４倍程度になるこことが推定されるが、これはトラックピッチの１０％以内（本例では28nm）で記録が許容されるという書き込み基準に収まっており、十分余裕のある精度でサーボパターンが形成されていることが実証された。以上により、本発明は独立した2つのレーザースケールをSPM回転とヘッドに対する二つの位置基準として持つことによって今後ますます高密度化されるＨＤＤ技術においてサーボ情報を半径方向にも線速方向に同時に高精度にかつ高速に描けるという利点により、その工業的価値は計り知れない。特に機械的なスペースに制約のある５ｍｍ厚以下の薄型ＨＤＤにとって上記特徴は最大限発揮される。

以上説明した本実施形態によれば、ＳＰＭ３０の回転中心に対して同軸にリング型回折格子２を設け、これにクロック用センサー１６Ａよりレーザ光を照射し、その反射レーザ光の位相をディスク３の回転方向における位置を示す信号として得ることによって、ＳＰＭ駆動回路の精度に依存することなく、高精度な基準クロック信号を得ることができる。

リング型回折格子２の中心と回転中心とにずれがあると、クロックパルスに回転周期に同期した周期的なジッターが発生するが、この周期的なジッターによる時間軸変動は、２段ＰＬＬの前段のＰＬＬで検出され、書き込みタイミングを高い分解能（たとえば８００ピコ秒）で補正することが可能である。同様に、スピンドルモータのコギングジッターも同様のＰＬＬ回路で取り除くことができる。

また常に同じ基準信号を用いてサーボ信号の書き込みが行われることで、Error propagation 現象は原理的に発生しないので、計測信号をソフトウェアで統計処理したりする必要がなく、きわめて高速にサーボ信号を書き込むことが可能となる。具体的には、本実施形態では、１６，０００トラック分のサーボ信号の記録時間は１０−１５分程度で済む。

さらに、リング型回折格子２は厚みをとらないため、たとえば１．８インチ以下のディスクを１枚内蔵した５ｍｍ厚以下の、小型で薄型のＨＤＤ内部に容易に取り付けられる。また、サーボ信号の書き込み環境としてクリーンルームを使用する必要がないため、設備投資が少なくて済む。

また、磁気ヘッド４を所定の位置に移動させるための手段として、アーム７ｂに扇型回折格子５を設け、これにアーム用センサー１６Ｂよりレーザ光を照射し、その反射レーザ光の位相を磁気ヘッド４の移動位置を示す信号として得るようにしたので、トラック送り精度も確保される。

さらに、サーボ信号書き込み装置のクロック用センサー１６Ａおよびアーム用センサー１６Ｂに集積光学デバイスを採用したことで、ディスクリート部品で構成された光学系に比べて、大幅な光学ヘッドの小型化によるスペースの低減とコスト低減を図ることができる。

本発明は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の一実施形態にかかるディスク記録再生装置およびサーボ信号書き込み装置の外観図である。 図１のディスク記録再生装置の構成を示す平面図である。 図２のディスク記録再生装置のａ断面図である。 図１のディスク記録再生装置およびサーボ信号書き込み装置の断面図である。 本実施形態のサーボ信号書き込み装置の全体的な構成例を示すブロック図である。 クロック用センサーおよびアーム用センサーのディスクリート光学系の具体的な構成を示す図である。 集積光学デバイスを用いて構成された光学系の具体例を示す図である。 本実施形態のクロック用センサーおよびアーム用センサーにそれぞれ集積光学デバイスを搭載した形態を示す図である。 ＨＤＤのセクタフォーマットとサーボセクタの構成を示す図である。 図９のサーボセクタにおけるサーボバーストの構成を示す図である。 本実施形態に用いたサーボバーストの時間配分の例を示す図である。 本実施形態の第一の変形例を示す図である。 本実施形態の第二の変形例を示す図である。 本実施形態の第三の変形例を示す図である。 本発明の妥当性を評価した結果を示す図である。 本発明の妥当性を評価した結果を示す図である。 本発明の妥当性を評価した結果を示す図である。 本発明の妥当性を評価した結果を示す図である。

符号の説明

１ 筐体
２ リング型回折格子
３ 磁気ディスク
４ 磁気ヘッド
５ 扇型回折格子
６ ＶＣＭ
７ｂ アーム
８ 回転軸
９，１０ 透明窓
１６Ａ クロック用センサー
１６Ｂ アーム用センサー
３１ モータ回転軸
３３ ＳＰＭコントローラ
６１Ａ，６１Ｂ 集積光学デバイス
７１ ディテクタユニット
７４ 前段ＰＬＬ&タイミング発生回路
７５ ＰＬＤ
７６ ＤＳＰ
７７ ＶＣＭドライバ
７９ 後段ＰＬＬ回路
１００ ディスク記録再生装置
２００ サーボ信号書き込み装置

Claims (7)

1. ディスク記録再生装置の、ディスクを駆動するスピンドルモータの回転軸の回転中心に対して同軸にかつ前記回転軸と一体に回転するように配置され、前記ディスクの回転方向における位置を示す複数の回折格子を有するリング型かつ反射型の第一の回折格子部材に、レーザ光を照射する第一の光学系と、
   前記第一の回折格子部材に対して前記第一の光学系と同じ側に配置され、前記第一の回折格子部材からの反射レーザ光を２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における位置基準信号を得る第一の位置基準信号生成手段と、
   前記位置基準信号に基づいて、サーボ信号の書き込みタイミングを制御する第一の制御部と
   を具備することを特徴とするサーボ信号書き込み装置。
2. 前記ディスク記録再生装置の、前記磁気ヘッドを支持しかつ回転軸を中心に前記ディスクの信号記録面に沿って半径方向に移動させるヘッド支持駆動機構に配置され、前記磁気ヘッドの移動位置を示す複数の回折格子を有する反射型の第二の回折格子部材に、レーザ光を照射する第二の光学系と、
   前記第二の回折格子部材からの反射レーザ光を２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における位置基準信号を得る第二の位置基準信号生成手段と、
   前記第二の位置基準信号に基づいて、前記ヘッド支持駆動機構を制御する第二の制御部と
   をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のサーボ信号書き込み装置。
3. 前記第一の光学系が、基板を共用して半導体プロセスにて作製された半導体レーザーおよび複数のフォトディテクタで構成された集積光学デバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボ信号書き込み装置。
4. 前記第二の光学系が、基板を共用して半導体プロセスにて作製された半導体レーザーおよび複数のフォトディテクタとで構成された集積光学デバイスを含むことを特徴とする請求項２に記載のサーボ信号書き込み装置。
5. 前記第一の制御部は、前記第一の位置基準信号生成手段により生成された位置基準信号の、前記スピンドルモータの回転周期に同期した時間軸変動を検出する第一のＰＬＬ回路を有し、この第一のＰＬＬ回路による検出結果に基づき、サーボ信号の書き込みタイミングを補正する
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ信号書き込み装置。
6. ディスクを駆動する、回転軸を有するスピンドルモータと、
   前記スピンドルモータの回転軸の回転中心に対して同軸にかつ前記回転軸と一体に回転するように配置され、前記ディスクの回転方向における位置を示す複数の回折格子を有するリング型かつ反射型の第一の回折格子部材と
   を具備するディスク記録再生装置にサーボ信号を書き込む方法であって、
   前記第一の回折格子部材に、前記第一の回折格子部材に対して一方の側からレーザ光を照射して、前記第一の回折格子部材からの反射レーザ光を前記一方の側で２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における位置基準信号を得て、この位置基準信号に基づいて、サーボ信号の書き込みタイミングを制御する
   ことを特徴とするディスク記録再生装置のサーボ信号書き込み方法。
7. ディスクを駆動する、モータ回転軸を有するスピンドルモータと、
   前記スピンドルモータの回転軸の回転中心に対して同軸にかつ前記回転軸と一体に回転するように配置され、前記ディスクの回転方向における位置を示す複数の回折格子を有するリング型かつ反射型の第一の回折格子部材と、
   磁気ヘッドを支持し、かつ回転軸を中心に、前記ディスクの信号記録面に沿って半径方向に移動させるヘッド支持駆動機構と、
   前記磁気ヘッドと一体に移動するように前記ヘッド支持駆動機構に配置され、前記磁気ヘッドの移動位置を示す複数の回折格子を有する反射型の第二の回折格子部材と
   を具備するディスク記録再生装置にサーボ信号を書き込む方法であって、
   前記第一の回折格子部材に一方の側からレーザ光を照射して、前記第一の回折格子部材からの反射レーザ光を前記一方の側で２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における第一の位置基準信号を得て、この第一の位置基準信号に基づいて、サーボ信号の書き込みタイミングを制御するとともに、
   前記第二の回折格子部材に前記一方の側からレーザ光を照射して、前記第二の回折格子部材からの反射レーザ光を前記一方の側で２回回折して前記レーザ光の１／４波長信号を得て、この１／４波長信号に基づいて、前記ディスクの回転方向における第二の位置基準信号を得て、この第二の位置基準信号に基づいて、前記ヘッド支持駆動機構を制御する
   ことを特徴とするディスク記録再生装置のサーボ信号書き込み方法。

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